펠링 용액

1. 개요

펠링 용액은 알데히드와 케톤을 구별하는 데 사용되는 화학 시약이다. 펠링 용액은 황산구리(II) 수용액인 펠링 A 용액과 타르타르산칼륨나트륨 및 수산화나트륨 용액인 펠링 B 용액을 혼합하여 제조하며, 활성 시약은 구리(II) 이온의 타르타르산염 착물이다. 펠링 용액은 알데히드와 반응하여 산화 구리(I)의 적색 침전을 생성하며, 이를 통해 알데히드의 존재를 확인한다. 이 반응은 단당류 및 환원당 검출, 소변 내 포도당 검출 등에 활용되며, 톨렌스 시약 및 베네딕트 용액과 유사한 반응을 보인다.

2. 제법

펠링 용액은 장기간 보관하면 환원성 물질을 생성하기 때문에, 사용 직전에 두 가지 용액을 혼합하여 사용한다. 펠링 용액은 펠링 A와 펠링 B, 두 가지 용액을 혼합하여 만든다.

* 펠링 A 용액: 황산구리(II)의 짙은 청색 수용액
* 펠링 B 용액: 타타르산칼륨나트륨(로셸염)과 수산화 나트륨의 혼합 수용액

이렇게 만들어진 용액은 황산구리 용액보다 진한 청람색을 띤다. 펠링 A는 황산구리(II)의 짙은 청색 수용액이고, 펠링 B는 타타르산칼륨나트륨(로셸염)의 무색 수용액으로 수산화 나트륨으로 강하게 알칼리화되어 있다. 이 두 용액은 별도로 보관할 때는 안정적이지만, 검사를 위해 혼합하면 구리(II) 착물이 불안정해진다. 이는 알칼리 조건에서 구리 수산화물로 천천히 분해되기 때문이다. 활성 시약은 Cu²⁺의 타르타르산염 착물로, 산화제 역할을 한다. 타르타르산염은 배위자로 작용한다.

펠링 용액과 거의 같은 시기에 유사한 구리 이온 검사 시약 용액을 제조하는 다른 방법들이 개발되었다. 여기에는 타르타르산염을 함유한 비올레트 용액(Charles Cléophile Viollette^프랑스어)과 쇽슬레 용액(프란츠 리터 폰 쇽슬레)이 포함되며, 졸다이니 용액(Arturo Soldaïni)은 대신 탄산염을 함유하고 있다. 바르푀드 검사 또한 펠링 검사와 관련이 있으며 유사하다.

2.1. 상세 제조법

펠링 용액은 제조 후 장기간 보관하면 환원성 물질이 생성될 수 있으므로, 사용 직전에 두 가지 용액을 혼합하여 사용한다. 다음은 펠링 용액 제조에 필요한 두 용액이다.

* 펠링 A 용액: 황산구리(II)의 짙은 청색 수용액 (0.4345 M)
* 펠링 B 용액: 1.65몰의 타타르산칼륨나트륨(로셸염)과 수산화나트륨 2.5몰의 혼합물을 녹인 수용액 1L를 석면에 걸러낸 용액. 강한 알칼리성을 띈다.

펠링 A 용액과 펠링 B 용액을 혼합하면 펠링 용액이 만들어진다. 이때, 두 용액을 섞으면 황산구리 용액보다 진한 청람색을 띤다. 펠링 용액의 활성 시약은 Cu²⁺의 타르타르산염 착물이며, 산화제 역할을 한다. 이는 두 용액이 결합하여 형성된 구리(II) 착물이 불안정하여 알칼리 조건에서 구리 수산화물로 천천히 분해되기 때문이다. 타르타르산염은 배위자로 작용한다.

펠링 용액과 유사한 시기에 개발된 구리 이온 검사 시약 용액으로는 타르타르산염을 함유한 비올레트 용액(Charles Cléophile Viollette^프랑스어 (1823–1894)의 이름을 따서 명명됨)과 쇽슬레 용액(프란츠 리터 폰 쇽슬레 (1848–1926)의 이름을 따서 명명됨)이 있다. 졸다이니 용액(Arturo Soldaïni의 이름을 따서 명명됨)은 탄산염을 함유하고 있다.

3. 원리 및 반응

펠링 용액은 알데하이드와 케톤 작용기를 구별하거나, 단당류 및 기타 환원당을 검출하는 데 사용된다. 시험할 화합물을 펠링 용액에 넣고 가열하면, 알데하이드는 산화되어 붉은 산화 구리(I) 침전이 생성되는 양성 반응을 보인다. 반면 케톤은 α-하이드록시 케톤이 아닌 한 반응하지 않는다. 베네딕트 용액도 유사한 원리로 작동한다.

펠링 용액은 독일 화학자 헤르만 폰 펠링이 1848년에 발명했다. 펠링 용액은 A액과 B액을 사용 직전에 동량 혼합하여 만든다. 펠링 용액의 제조 방법은 다음과 같다.

A액의 구리(II) 이온은 B액의 수산화 나트륨에 의해 염기성이 되면, 수산화 구리(II) 청백색 침전을 생성한다. 그러나 B액에 있는 주석산 이온에 의해 킬레이트 착 이온 형태로 안정화되어 짙은 푸른색 용액이 된다. 이로 인해 구리(II) 이온 농도가 낮게 유지되면서도 알데하이드에 의해 쉽게 환원될 수 있다.

개미산은 톨렌스 시약 및 베네딕트 용액과 마찬가지로 펠링 반응에서 양성 반응을 나타낸다. 하지만, 일반적인 조건에서는 펠링 용액이 염기성이기 때문에 개미산 이온이 구리(II) 이온과 킬레이트 착체를 형성하여 반응이 어렵다. 벤즈알데히드와 같은 방향족 알데히드도 공명 효과와 카니차로 반응으로 인해 펠링 반응을 보이기 어렵다.

같은 원리를 이용하는 베네딕트 시약은 펠링 용액의 단점을 개선한 시약이다. 베네딕트 시약은 주석산 나트륨 칼륨 대신 구연산 나트륨을 사용하며, 환원성 검출 시 산화 구리(I)의 적갈색 침전을 생성하는 점은 동일하다.

3.1. 화학 반응식

펠링 용액에서 알데하이드와 구리(II) 이온 사이의 전체 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

: RCHO + 2 Cu^2+ + 5 OH- -> RCOO- + Cu2O + 3 H2O

또는 타르타르산염을 포함하면 다음과 같다.

: RCHO + 2 Cu(C4H4O6)2^2- + 5 OH- -> RCOO- + Cu2O + 4 C4H4O6^2- + 3 H2O

환원성 물질(포르밀기(-CHO)를 가진 물질 등)을 펠링 용액에 넣고 가열하면 산화 구리(I)(Cu₂O)의 붉은색 침전이 생성된다. 이는 환원성 물질을 검출하고 정량하는 데 사용된다.

알데하이드와 구리(II) 이온의 반응식은 다음과 같다.

: R-CHO + 2Cu^2+ + 4OH- -> R-COOH + Cu2O + 2H2O

혹은,

: R-CHO + 2Cu^2+ + NaOH +H2O -> R-COONa + Cu2O + 4H+

구리(II) 이온의 환원 반응에 주목한 반쪽 반응식은 다음과 같다.

: 2Cu^2+ + 2OH- + 2e- -> Cu2O + H2O

알데하이드 등의 산화 반응에 주목한 반쪽 반응식은 다음과 같다.

: R-CHO + 2OH- -> R-COOH + H2O + 2e-

3.2. 반응의 특징

펠링 용액은 알데하이드와 케톤 작용기를 구별하는 데 사용될 수 있다. 시험할 화합물을 펠링 용액에 넣고 가열하면, 알데히드는 산화되어 양성 반응을 보이지만, 케톤은 α-하이드록시 케톤이 아닌 한 반응하지 않는다. 비타르타르산구리(II) 복합체는 알데히드를 카복실산염 음이온으로 산화시키고, 이 과정에서 복합체의 구리(II) 이온은 구리(I) 이온으로 환원된다. 그러면 붉은 산화 구리(I)가 반응 혼합물에서 침전되는데, 이는 양성 반응, 즉 산화 환원 반응이 일어났음을 나타낸다. (이는 베네딕트 용액과 동일한 양성 반응이다.)

펠링 반응은 단당류 및 기타 환원당(예: 말토스)에 대한 일반적인 시험으로 사용할 수 있다. 알도스 단당류에 대해 양성 반응을 나타내지만(산화 가능한 알데히드기 때문), 케토스 단당류에 대해서도 양성 반응을 나타내는데, 이는 시약의 염기에 의해 알도스로 전환된 후 양성 반응을 나타내기 때문이다.

펠링 반응은 소변에서 포도당을 선별하여 당뇨병을 감지하는 데 사용될 수 있다. 또 다른 용도는 전분을 분해하여 포도당 시럽과 말토덱스트린으로 전환하여 환원당의 양을 측정하여 덱스트로스 당량(DE)을 측정하는 것이다.

폼산(HCO₂H)은 톨렌스 (베른하르트 크리스티안 고트프리트 톨렌스(1841–1918)의 이름을 딴) 시험 및 베네딕트 용액과 마찬가지로 펠링 반응에서도 양성 반응을 나타낸다. 긍정적인 시험 결과는 이산화 탄소로 쉽게 산화될 수 있다는 것과 일치한다.

이 용액은 벤즈알데히드와 아세톤을 구별할 수 없다. 펠링 용액에 환원성 물질(포르밀기(-CHO)를 가진 물질 등)을 넣고 가열하면 산화 구리(I)(Cu₂O)의 적색 침전이 생성되는데, 이는 환원성 물질의 검출 및 정량에 사용된다. 개미산은 포르밀기를 가지고 있지만, 일반적인 조건에서는 펠링 반응을 보이기 어렵다. 이는 펠링 용액이 염기성이기 때문에 개미산이 전리되어 생성된 개미산 이온이 구리(II) 이온과 킬레이트 착체를 형성하기 때문이다. 벤즈알데히드 등의 방향족 알데히드도 일반적으로 펠링 반응(펠링 용액의 환원)을 보이기 어렵다. 이는 알데히드기의 CO와 벤젠의 이중 결합 간의 공명 효과에 의한 안정화와 염기성 조건 하에서 벤질 알코올과 안식향산으로의 불균등화, 이른바 카니차로 반응이 먼저 일어나기 때문이다.

화학 반응식은 다음과 같다.

: R-CHO + 2Cu²⁺ + 4OH^- → R-COOH + Cu₂O + 2H₂O

혹은,

: R-CHO + 2Cu²⁺ + NaOH +H₂O → R-COONa + Cu₂O + 4H⁺

4. 펠링 반응의 활용

펠링 용액은 알데히드와 케톤 작용기를 구별하는 데 사용할 수 있다. 시험할 화합물을 펠링 용액에 넣고 혼합물을 가열한다. 알데히드는 산화되어 양성 반응을 나타내지만, 케톤은 α-하이드록시 케톤이 아닌 한 반응하지 않는다. 비타르타르산구리(II) 복합체는 알데히드를 카복실산염 음이온으로 산화시키고, 이 과정에서 복합체의 구리(II) 이온은 구리(I) 이온으로 환원된다. 그런 다음 붉은 산화구리(I)가 반응 혼합물에서 침전되는데, 이는 양성 반응, 즉 산화 환원 반응이 일어났음을 나타낸다 (이는 베네딕트 용액과 동일한 양성 반응이다).

펠링 반응은 단당류 및 기타 환원당(예: 말토스)에 대한 일반적인 시험으로 사용할 수 있다. 이는 알도스 단당류에 대해 양성 반응을 나타내지만(산화 가능한 알데히드기 때문) 케토스 단당류에 대해서도 양성 반응을 나타내는데, 이는 시약의 염기에 의해 알도스로 전환된 후 양성 반응을 나타내기 때문이다.

펠링 반응은 소변에서 포도당을 선별하여 당뇨병을 감지하는 데 사용할 수 있다. 또 다른 용도는 전분을 분해하여 포도당 시럽과 말토덱스트린으로 전환하여 환원당의 양을 측정하여 덱스트로스 당량(DE)을 측정하는 것이다.

폼산 (HCO₂H)은 톨렌스 (베른하르트 크리스티안 고트프리트 톨렌스(1841–1918)의 이름을 딴) 시험 및 베네딕트 용액과 마찬가지로 펠링 반응에서도 양성 반응을 나타낸다. 긍정적인 시험 결과는 이산화탄소로 쉽게 산화될 수 있다는 것과 일치한다.

이 용액은 벤즈알데히드와 아세톤을 구별할 수 없다.

5. 유사 시약

펠링 용액과 거의 같은 시기에 유사한 구리 이온 검사 시약 용액을 준비하는 다른 방법이 개발되었다. 여기에는 타르타르산염을 함유한 비올레트 용액(Charles Cléophile Viollette^프랑스어 (1823–1894)의 이름을 따서 명명됨)과 쇽슬레 용액(프란츠 리터 폰 쇽슬레 (1848–1926)의 이름을 따서 명명됨)이 포함되며, 솔다이니 용액(아르투로 솔다이니의 이름을 따서 명명됨)은 대신 탄산염을 함유하고 있다. 바르푀드 검사 또한 펠링 검사와 관련이 있으며 유사하다(크리스텐 톰센 바르푀드 (1815–1889)의 이름을 따서 명명됨).

같은 원리를 이용한 시약인 베네딕트 시약은 당 이외의 물질(요소)에 반응하거나, 장기 보존에 견딜 수 없다는 등 펠링 용액의 단점을 개선한 것이다(반응의 예민함에서는 펠링 용액이 뛰어나다). 특징으로는 주석산 나트륨 칼륨 대신 구연산 나트륨을 사용한다는 점이다(환원성 검출 시 산화 구리(I)의 적갈색 침전을 생성하는 점은 동일).

6. 특수 반응

강력한 환원제가 고농도로 존재하는 등의 조건이 갖춰지면 반응 용기 벽에 금속 구리 피막(소위 구리 거울)이 생성될 수 있다. 이를 특히 구리 거울 반응이라고 부르기도 한다. 마찬가지로 염화금산의 환원에 옥살산과 아스코르브산을 사용하여 금 거울(시험관 내벽에 석출된 금의 금속 결정)을 생성한 경우도 있다.